摘 要：當(dāng)前智能變電站的總體結(jié)構(gòu)分為“三層”（站控層、間隔層、過程層）和“兩網(wǎng)”（站控層網(wǎng)絡(luò)、過程層網(wǎng)絡(luò)）。其中，間隔層采用了高精細(xì)度的數(shù)據(jù)采集和分析方法，充分應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，使得變電站的運檢效率大幅提升，即將步入第三代智能變電站時代。文中設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能變電站總體監(jiān)控方案。首先對變電站總體結(jié)構(gòu)進行了詳細(xì)描述，然后通過梳理物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，充分挖掘物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對于智能變電站的作用，在智能變電站中設(shè)計溫濕度測控系統(tǒng)、SF6氣體測控系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)3個子系統(tǒng)，對智能變電站的各類數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控。該系統(tǒng)實現(xiàn)了變電站的一體化監(jiān)控、可視化總體展示、故障診斷及預(yù)警等多項功能，為當(dāng)前的新型智能變電站建設(shè)提供了參考。

關(guān)鍵詞：智能變電站；傳感器技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；傳輸節(jié)點；報文分析；無線傳輸

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）01-00-04

0 引 言

電力系統(tǒng)中，變電站是不可或缺的關(guān)鍵部分，其承擔(dān)著電能的調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換以及重新分配和調(diào)度的重要任務(wù)，對整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和經(jīng)濟效益提升有著極為重要的作用。智能變電站作為新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，在傳統(tǒng)數(shù)字化變電站的基礎(chǔ)上，充分利用了信息技術(shù)的優(yōu)勢，進行了一系列技術(shù)革新。隨著能源形態(tài)的不斷演進，智能變電站持續(xù)融合新技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、信息傳輸、設(shè)備功能以及應(yīng)用模式等方面實現(xiàn)了進一步的升級與迭代。

近年來，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，智能變電站在原有功能基礎(chǔ)上，采用了先進的傳感技術(shù)，對設(shè)備狀態(tài)參量、消防安全、環(huán)境條件及動力系統(tǒng)等進行全面而細(xì)致的采集。通過深度應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，形成了狀態(tài)全面感知、信息互聯(lián)共享、人機友好交互、設(shè)備診斷高度智能、運檢效率大幅提升的智慧變電站，也就是第三代智能變電站[1]。這些智慧變電站應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深入感知外部世界，構(gòu)建起無線傳感器檢測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對變電站設(shè)備運行狀態(tài)的全方位實時監(jiān)測。當(dāng)前，越來越多的學(xué)者開始對智能變電站進行深入的研究和探索，文獻(xiàn)[2]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能變電站模塊化設(shè)計方案；文獻(xiàn)[3]介紹了一種針對變電站不同位置節(jié)點的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集運維管理系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]提出了一種采用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議對智能變電站數(shù)據(jù)進行傳輸與分析的方法；文獻(xiàn)[5-7]則探討了智能變電站二次系統(tǒng)通信鏈路的優(yōu)化以及故障定位系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，為智能變電站的穩(wěn)定運行提供了技術(shù)支持。

1 智能變電站概念

智能變電站的“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的核心在于“三層”結(jié)構(gòu)，包括過程層、間隔層、站控層，如圖1所示。

過程層設(shè)備包括了電壓/電流互感器、合并單元、智能終端等與一次設(shè)備相關(guān)聯(lián)的設(shè)備，用于實現(xiàn)變電站二次設(shè)備模擬量采樣、開關(guān)量輸入和輸出、操作命令的發(fā)送和執(zhí)行等相關(guān)功能。

間隔層設(shè)備包括了線組保護裝置、母線保護裝置、安控裝置、PMU、故障錄波裝置、保護設(shè)備在線監(jiān)視與診斷裝置、網(wǎng)絡(luò)報文記錄與分析裝置等。間隔層設(shè)備處于過程層與站控層之間，收集對應(yīng)間隔過程層設(shè)備發(fā)送的實時數(shù)據(jù)信息，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給站控層設(shè)備，同時接收站控層設(shè)備發(fā)送的指令，實現(xiàn)實時運行數(shù)據(jù)和操作命令的上傳下達(dá)。

站控層設(shè)備包括監(jiān)控主機、五防主機、PMU集中器、網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測裝置、保新子站、電能量采集終端、輔助網(wǎng)關(guān)、綜合應(yīng)用服務(wù)器、操作員站、工程師工作站和計劃管理終端。站控層設(shè)備提供變電站設(shè)備運行的人機交互界面，完成對間隔層和過程層設(shè)備數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析和管理，實現(xiàn)對全站設(shè)備的監(jiān)視、控制、預(yù)警，并實現(xiàn)與上級調(diào)度中心的信息交互。

站控層網(wǎng)絡(luò)包括站控層中心交換機和間隔交換機，全部通過光纖連接成物理網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)站控層設(shè)備和間隔層設(shè)備之間的信息交互。其中，站控層中心交換機連接數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機、監(jiān)控主機、綜合應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器等設(shè)備，間隔交換機連接間隔內(nèi)的保護、測控和其他智能電子設(shè)備。站控層網(wǎng)絡(luò)集成了MMS、GOOSE、SNTP等多種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，這些協(xié)議在同一網(wǎng)絡(luò)上并行運行，共同實現(xiàn)了全站數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和共享化。

2 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)

當(dāng)前變電站的建設(shè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多個方面緊密相關(guān)，智能變電站作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云平臺深度融合的創(chuàng)新成果，充分利用各類數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)變電站的智能運維管理，推動了變電站向智能化、集成化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，并借助多維信息對站內(nèi)二次系統(tǒng)的狀態(tài)進行全面評估。智能變電站能夠?qū)崿F(xiàn)變電站的一體化監(jiān)控、可視化總體展示、故障診斷及預(yù)警等多項功能。

2.1 感知技術(shù)

變電站感知層由多種傳感器裝置和各種網(wǎng)絡(luò)組成，通過各種傳感器對底層邊緣端數(shù)據(jù)進行感知記錄，完成信息的采集、測量、控制等，主要包括電能質(zhì)量傳感器、電流電壓互感器、線路溫度傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器、光強傳感器以及各種無線傳感器。傳感器工作原理如圖2所示。通過測量敏感元件的屬性數(shù)據(jù)，采用固定的方式進行信號的轉(zhuǎn)換，再通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將數(shù)據(jù)輸送到各個對應(yīng)的子系統(tǒng)中，對各種數(shù)據(jù)進行感知、識別和捕捉，傳感器收集的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過匯總后，進行綜合的分析與運用，以便及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備中的潛在隱患和故障。基于這些分析結(jié)果，可以安排相應(yīng)的維護和檢查措施，從而確保變電站的安全穩(wěn)定運行[8-9]。

2.2 傳輸技術(shù)

傳輸技術(shù)主要通過構(gòu)建數(shù)據(jù)節(jié)點來執(zhí)行無線傳感器的數(shù)據(jù)采集、傳送和處理等工作，通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備與外網(wǎng)連接，將無線傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶終端上，進而實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和管理。無線自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括以下4類節(jié)點：

（1）傳感器節(jié)點在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集的職責(zé)，其在各個監(jiān)測區(qū)域被隨機部署，這些節(jié)點能夠主動配合形成一個分布式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點之間能夠交換數(shù)據(jù)，并且最終將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點。

（2）匯聚節(jié)點在物聯(lián)網(wǎng)中的作用主要包含2個方面：一方面是將傳感器節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)用有線的方式傳輸記錄在電腦終端；另一方面是將傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)通過無線的方式先發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點，然后通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送給管理節(jié)點。

（3）網(wǎng)關(guān)節(jié)點是物聯(lián)網(wǎng)的控制中心，具備數(shù)據(jù)通信、處理和存儲的能力，但不具備傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集能力。網(wǎng)關(guān)節(jié)點采用無線通信的方式，接收來自監(jiān)測區(qū)域匯聚節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，再通過有線或無線通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至外部網(wǎng)絡(luò)的用戶管理節(jié)點。

（4）管理節(jié)點也就是物聯(lián)網(wǎng)管理者使用的計算機終端或大型服務(wù)器。管理者通過管理節(jié)點接收來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點或管理節(jié)點直接上傳的數(shù)據(jù)信息，及時對反饋數(shù)據(jù)信息進行高效監(jiān)測、處理和匯總，并實時下發(fā)監(jiān)測任務(wù)。

2.3 處理技術(shù)

智能變電站主要對獲取到的信息流報文進行分析，特別是在發(fā)生故障時，會對這些報文進行詳細(xì)的解析處理等，以確定通信鏈路故障類型。智能變電站中，負(fù)責(zé)測量和控制業(yè)務(wù)的報文主要包括GOOSE報文、SV報文和MMS報文。在當(dāng)前的信息化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，智能變電站的自動化體系將信息流作為載體。其中，SV信息流主要包括電壓、電流的采樣值等，GOOSE信息流主要包括站內(nèi)的閉鎖跳閘以及保護自檢信息等，MMS信息流是站內(nèi)繼電保護定值修改的依據(jù)[10]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能變電站監(jiān)測系統(tǒng)

變電站的智能監(jiān)測系統(tǒng)是指由硬件和軟件組件組成的監(jiān)測控制生態(tài)系統(tǒng)。智能測控系統(tǒng)以各種不同功能的傳感器終端為監(jiān)測單元，以低功耗無線傳輸為信息交換方式，整合了環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、自動報警、智能處理、視頻監(jiān)控、目標(biāo)識別等功能，充分滿足了主觀的設(shè)計需求和客觀的測控需要，能夠?qū)崿F(xiàn)變配電站的智能化和自動化。

3.1 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)的硬件和軟件整體結(jié)構(gòu)分別如圖4和圖5所示。

本文設(shè)計的變電站運行環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括3個子測控系統(tǒng)，分別為溫濕度測控系統(tǒng)、SF6氣體測控系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)，功能是對溫度、濕度、SF6氣體體積分?jǐn)?shù)、水浸等參數(shù)進行監(jiān)測并及時上報。設(shè)計目的是為了實時掌握變電站和配電房內(nèi)的主要環(huán)境參數(shù)，并且與執(zhí)行單元實現(xiàn)聯(lián)動操作。各子系統(tǒng)可以有效地對各種環(huán)境參數(shù)進行采集，再通過數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點進行匯總并上傳到控制中心，確保控制中心實時準(zhǔn)確地掌握變配電站運行環(huán)境的情況。如果環(huán)境參數(shù)發(fā)生異常，智能監(jiān)測系統(tǒng)可以在沒有人為干預(yù)的前提下進行自動報警和智能處理。在數(shù)據(jù)通信方面，采用基于LoRa的低功耗無線傳輸模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點和傳感器終端間的數(shù)據(jù)交換?？刂浦行囊部梢酝ㄟ^數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點下載程序到底層的傳感器終端，實現(xiàn)遠(yuǎn)程更新傳感器終端軟件程序，或者下發(fā)指令到執(zhí)行單元，實現(xiàn)對執(zhí)行單元的控制。

智能變電站的管理主機主要負(fù)責(zé)查收各個子系統(tǒng)設(shè)備的情況報告，一旦子系統(tǒng)的設(shè)備發(fā)生異常，主機會根據(jù)異常報告進行處理；站內(nèi)主控機是整個系統(tǒng)的中心，對各子系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行管理，并評估設(shè)備的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常后啟動相應(yīng)的應(yīng)急方案；各子系統(tǒng)是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所生成的子系統(tǒng)，可以感知設(shè)備的運行情況，匯聚數(shù)據(jù)，并執(zhí)行站內(nèi)主機的命令。

3.2 子系統(tǒng)模塊

3.2.1 溫濕度測控系統(tǒng)

變電站運行環(huán)境中濕度是非常重要的環(huán)境參數(shù)，當(dāng)室內(nèi)的濕度過高時，常常會發(fā)生凝露現(xiàn)象。凝露現(xiàn)象是在某一相對密閉的空間中，環(huán)境空氣濕度較大，當(dāng)水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)或者環(huán)境溫度到達(dá)露點溫度時，水蒸氣液化形成露水。凝露產(chǎn)生的露水會在電力設(shè)備的表面與灰塵作用，降低設(shè)備的絕緣性能，從而導(dǎo)致爬電、短路現(xiàn)象發(fā)生。電力設(shè)備如果長期處于這種高濕度的環(huán)境中，會損害機械結(jié)構(gòu)強度，縮短使用壽命。因此需要在變電站、配電房的各個位置設(shè)置溫濕度傳感器，監(jiān)測環(huán)境參數(shù)并上傳數(shù)據(jù)，同時需要記錄歷史溫濕度數(shù)據(jù)，形成可視化的數(shù)據(jù)曲線，方便工作人員隨時查詢分析。當(dāng)檢測溫度值和濕度值不在設(shè)定的閾值區(qū)間時，系統(tǒng)會及時發(fā)出越限警報并且自動與執(zhí)行單元聯(lián)動，使環(huán)境參數(shù)回歸正常值。該系統(tǒng)在一定程度上降低了運維人員的工作強度，工作人員也可以有針對性地進行問題排查和檢修工作。

3.2.2 SF6氣體測控系統(tǒng)

SF6氣體是在電力行業(yè)廣泛使用的一種惰性保護氣體，是理想的絕緣保護介質(zhì)。SF6氣體在常溫常壓下，其物理特性穩(wěn)定，沒有顏色和氣味，密度較大，即使在450 ℃的高溫條件下也不會分解。其主要物理特性如下：

（1）滅弧效果理想。在交流電弧放電燃弧時，SF6可以以極快的速度轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體。一方面是因為SF6作為惰性氣體自身具有超強穩(wěn)定性，所以不易分解；另一方面是因為SF6具有強負(fù)電性，氣體中的負(fù)電子與電弧的正電子互相抵消，從而導(dǎo)致電弧的電子數(shù)量快速降低，達(dá)到快速滅弧的目的。

（2）易于導(dǎo)熱。SF6氣體的熱傳導(dǎo)和對流散熱性能強，可以有效地把電弧的能量傳導(dǎo)出去，避免設(shè)備發(fā)生火災(zāi)。

SF6氣體傳感器主要被部署在充滿SF6氣體的GIS電力設(shè)備中。變電站將變壓器、電纜等重要的電力設(shè)備置于密封管道并充盈SF6氣體，主要目的是為了減少局部放電現(xiàn)象。但是SF6氣體存在泄漏的風(fēng)險，并且這種氣體對人體具有一定的危害，在配電室等密閉空間中的危害尤為嚴(yán)重。SF6氣體體積分?jǐn)?shù)較高的情況下會導(dǎo)致人體呼吸困難，甚至窒息死亡。除此之外，SF6氣體對生態(tài)環(huán)境也有一定的潛在危害，容易導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”。因此，需要對GIS電力設(shè)備中的SF6氣體體積分?jǐn)?shù)進行監(jiān)測，實時掌握空氣中SF6氣體體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)監(jiān)測到SF6氣體體積分?jǐn)?shù)超過設(shè)定的閾值時，測控系統(tǒng)進行越限報警，并且自動啟動排風(fēng)機進行換氣動作，降低空氣中SF6氣體體積分?jǐn)?shù)。同時，工程人員可以立即排查漏氣點并采取補救措施，將危害降到最低[11]。

根據(jù)以上分析，在本設(shè)計中引入了SF6氣體測控系統(tǒng)，通過SF6氣體傳感器來檢測空氣中SF6氣體的體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)現(xiàn)實需求設(shè)定氣體體積分?jǐn)?shù)的閾值，當(dāng)SF6氣體體積分?jǐn)?shù)超過閾值時，測控系統(tǒng)可自動發(fā)出警報，提醒工作人員采取措施。測控系統(tǒng)還可以與排風(fēng)機進行智能化聯(lián)動，當(dāng)SF6氣體體積分?jǐn)?shù)超過閾值時，測控系統(tǒng)可以自動啟動排風(fēng)機；或者在每日固定的時間，智能測控系統(tǒng)自動開啟排風(fēng)動作，比如在工作人員早晨工作之前進行15 min的換氣通風(fēng)；也可以定時向工作人員播報空氣中的SF6氣體體積分?jǐn)?shù)。

3.2.3 圖像監(jiān)控與安全警衛(wèi)

隨著計算機CPU處理速度的加快，數(shù)據(jù)的傳輸和存儲方式也變得更加先進，智能監(jiān)控技術(shù)逐漸成為變電站安防體系中必要的一環(huán)。變配電站內(nèi)出于施工或者設(shè)備檢修的需要，有大量人員進出。傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)中需要依靠人工進行監(jiān)控、分析，智能化程度和工作效率低下。而引入智能監(jiān)控系統(tǒng)后，通過計算機搭載的人工智能算法自動抓取、分析、識別、記錄、比對目標(biāo)圖像，大大節(jié)約了人力成本，提高了工作效率。因此智能監(jiān)控系統(tǒng)在變配電站工作人員的生物識別認(rèn)證和人身安全保障方面起到了很大的作用，間接地維護了變電站的運行環(huán)境平穩(wěn)。

本文設(shè)計的智能監(jiān)控系統(tǒng)主要由圖像采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊組成，能夠通過高清攝像頭采集目標(biāo)圖像，利用無線模塊傳輸圖像數(shù)據(jù)，再由服務(wù)器處理圖像數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)特征并上傳至數(shù)據(jù)庫。智能監(jiān)控系統(tǒng)的框圖如圖6所示。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計智能變電站監(jiān)測系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用到變電站監(jiān)測的各個方面，通過完善各方面的數(shù)據(jù)采集管理子系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能變電站的全方位數(shù)據(jù)監(jiān)測。本文的研究能夠為當(dāng)前的新型智能變電站建設(shè)提供一定的參考。

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